[發明專利]低成本稀土閃爍晶體的生長

在審

• 申請號: 201710060012.7
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106757354A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 薛冬峰;孫叢婷
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: C30B29/34
• 分類號: C30B29/34;C30B28/02;C30B15/00;C30B29/28
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 趙青朵

技術領域

本發明涉及閃爍晶體材料技術領域，具體涉及低成本稀土閃爍晶體的生長。

背景技術

閃爍晶體是指，在X射線和射射線等高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉變為光能而發出閃光的晶體。而閃爍則是指一種輻射發光過程，將高能射線或高能粒子轉換為紫外或可見熒光脈沖。閃爍晶體是能夠將高能射線/粒子轉化成近紫外/可見光范圍內熒光脈沖的重要轉換媒介，因此具有優異的電離輻射探測功能，目前被廣泛地應用于高能物理、核物理、核醫學成像、安全檢查、工業勘探等重要領域。

在核醫學成像領域中，分子成像技術主要包括正電子發射斷層掃描(PET)和單光子發射計算機化斷層顯像(SPECT)體外檢查技術。其中，PET能夠實現在細胞分子水平上進行人體功能代謝顯像，達到重大疾病早期診斷的目的。探測環是PET整機的核心探測組件，決定了整機的時間分辨率和空間分辨率，對于病灶的精準定位至關重要，而閃爍晶體材料是PET探測環的核心工作物質，從物質水平上決定了PET整機性能。為了滿足時空分辨率的要求，我們需要高密度、高光輸出、快衰減綜合性能優異的閃爍晶體材料，要具有未完全充滿的4f電子層的稀土離子，如Ce³⁺-Yb³⁺，共有1639個能級，可能發生躍遷的數目高達199177個，是一個巨大的發光寶庫，其中Ce³⁺中心5d→4f的電偶極躍遷使其具有較短的衰減時間。

20世紀70年代至今，80％的新型閃爍晶體均為稀土閃爍晶體。截至目前，鈰摻雜硅酸釔镥晶體((CeRELu)₂SiO₅)是綜合性能最優異的閃爍晶體材料，其密度～7.4g/cm³、光輸出～30000photos/MeV@662keV、衰減時間～40ns。在實際應用中，隨著電子元器件的飛速發展，閃爍晶體在關鍵探測器中所占的成本配額表現出迅猛增長的趨勢。例如，在核醫學成像設備中閃爍晶體成本配額已由過去的1/6增至1/3。因此，亟需降低稀土閃爍晶體的生長成本，推動其在探測領域更為廣泛的應用。

然而在稀土閃爍晶體的生長過程中，如生長鈰摻雜硅酸釔镥(Ce:LYSO)閃爍晶體中主要面臨的問題在于：1)在于稀土硅酸鹽閃爍晶體熔點高(2050℃)，較高的熔點會造成中/高頻電源在加熱過程中耗費較高的電能；2)稀土硅酸鹽閃爍晶體熔點接近加熱體Ir坩堝的熔點(2450℃)，Ir揮發嚴重，較長的生長周期造成貴金屬損耗嚴重。3)籽晶易熔斷，在引晶過程中籽晶容易被熔斷，導致晶體生長失敗，降溫開爐重新安裝籽晶，嚴重浪費電能和貴金屬損耗；4)晶體容易開裂，為防止稀土硅酸鹽閃爍晶體開裂，其生長速率降低，導致生長周期長，造成生長過程人力成本投入高。

綜上所述，在晶體生長過程中，能耗高、貴金屬損耗嚴重、生長過程人力成本投入高、晶體成品率低使得稀土硅酸鹽閃爍晶體生長成本高。此外，高純稀土原料的高成本也大大提高了稀土閃爍晶體的成本。

因此，稀土閃爍晶體昂貴的成本已成為其應用領域上的桎梏，更阻礙了進一步在探測領域更為廣泛的應用，如何得到低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，已成為了應用領域前沿學者亟待解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，尤其是低成本的稀土硅酸鹽閃爍晶體和釔鋁石榴石閃爍晶體的制備方法，本發明提供的生長工藝，能耗低，貴金屬損耗少，生長過程時間短，晶體成品率高，具有明顯的低成本優勢。

本發明提供了稀土閃爍晶體生長工藝中生長參數的計算方法，包括以下步驟，

1)依據結晶生長的化學鍵合理論，參照式(I)，計算稀土閃爍晶體的各向異性相對生長速率，再得到模擬的稀土閃爍晶體的熱力學生長形態；

其中，R_uvw為晶體沿[uvw]方向的相對生長速率；

K為速率常數；

為沿[uvw]方向生長的化學鍵合能；

A_uvw為生長基元沿[uvw]方向的投影面積；

d_uvw為晶體沿[uvw]方向的臺階高度；

2)基于上述步驟得到的模擬的稀土閃爍晶體的熱力學生長形態，確定提拉生長方向；

3)根據上述步驟得到的提拉生長方向，確定沿軸向和徑向方向的生長界面處的化學鍵合結構，再依據上述化學鍵合結構，找出相應的相對生長速率；